Читацькі дописи
IT Community

Цей матеріал – не редакційнийЦе – особиста думка його автора. Редакція може не розділяти цю думку.

Вугілля і нафта стали джерелом промислової революції та індустріалізації, своєю чергою, в нашу цифрову епоху, таку роль відіграє інформація.

Як і матеріальні ресурси, інформація сама по собі мало що значить. Для того, щоб отримати користь від нафти, потрібно збудувати величезні та складні нафтопереробні заводи, потім дизельне пальне або бензин необхідно розповсюдити мережею заправних станцій, де їх заливатимуть у баки власники різноманітних транспортних засобів. У випадку з інформацією, для її обробки, зберігання чи передачі потрібні чипи — інтегральні мікросхеми, які складаються з електронних схем на одній суцільній пластині з напівпровідникового матеріалу, зазвичай кремнію.

Процес розробки та виробництва чипів дуже непростий. Для цього використовують пластини надчистого кремнію, на яких за допомогою найточнішого у світі обладнання витравлюють та наносять шари матеріалів завтовшки у кілька атомів. Потім мікросхему упаковують і тестують, перед тим, як відправити на фабрику для складання комп’ютерів, смартфонів або інших пристроїв.

Сучасна галузь мікроелектроніки, хоча її варто вже називати наноелектронікою, вражає своєю складністю та масштабом. На сьогодні утворилося кілька центрів, які сконцентрували неймовірну виробничу потужність. Так, Тайвань щороку забезпечує третину світового виробництва чипів, а компанія TSMC виготовляє більшість найсучасніших мікропроцесорів. Дві корейські компанії виробляють майже половину мікросхем пам’яті у світі.
І нарешті, як не згадати нідерландську компанію ASML, яка будує 100 % машин для екстремальної ультрафіолетової літографії. А там, де є така концентрація ресурсів, виникає геополітика, що завжди йшла поруч з прогресом у цифрових технологіях, які зробили принциповий вклад у результат Холодної війни та стали причиною сучасного протистояння між США і Китаєм.

Як Сполучені Штати виграли Холодну війну

Транзистор є ключовим елементом цифрової революції, не менш важливим, ніж у свій час були паровий двигун чи двигун внутрішнього згорання. Вперше, теорію, що пояснювала поведінку напівпровідникових матеріалів сформулював у 1945 році Вільям Шоклі, який на той час працював в Bell Labs. Однак, йому так і не вдалося підтвердити її на практиці, але через два роки його колеги Волтер Браттейн та Джон Бардін створили пристрій, що потім назвали транзистором, завдяки якому це сталося. І хоча його планували використовувати в першу чергу у радіоприймачах чи слухових апаратах для підсилення струму, в 1948 році Шоклі розробив новий тип транзистора, що складався з трьох шарів напівпровідникового матеріалу та міг працювати як перемикач.

Наступним кроком стало розміщення кількох транзисторів на одній напівпровідниковій пластині. Ця ідея прийшла майже одночасно кільком людям. Одним з них був Джек Кілбі, який тільки почав працювати у 1958 році в Texas Instruments. Він назвав винахід інтегральною схемою, в розмовній мові більш відомою як чип, від англійського chipped (відколювати), через те, що кожна інтегральна схема була тільки шматочком круглої кремнієвої пластини.

А іншим був легендарний Роберт Нойс, на той час один із засновників Fairchild Semiconductor. Базуючись на новому методі нанесення захисних шарів, який розробив його колега Жан Ерні, він також здогадався розмістити кілька електронних компонентів на одній пластині напівпровідникового матеріалу. До того ж у версії Нойса не було окремих дротів, а транзистори були вбудовані в єдиний блок матеріалу.

Та ще залишалася проблема масового виробництва чипів, але і її незабаром вирішили. А допоміг у цьому винахід Джея Летропа та його помічника Джеймса Нелла, що дістав назву фотолітографія — друк за допомогою світла. Він дозволив виробляти транзистори значно меншого розміру завдяки високій точності. У Texas Instruments дуже швидко зрозуміли перспективність цієї технології та запропонували роботу Летропу. Своєю чергою, Fairchild Semiconductor поспішила найняти його партнера по лабораторії.

Впровадження літографії було непростим, адже потребувало нових матеріалів та процесів і зайняло роки експериментів, налаштувань та важкої праці, але результат перевершив всі сподівання. Прогноз експоненціального зростання обчислювальної потужності, відомий як закон Мура, означає не тільки зменшення розміру транзисторів, а й їхньої ціни. Це дало змогу зробити чипи товаром масового споживання та спричинило справжній бум у молодій галузі напівпровідників.

Ця історія яскраво ілюструє головну причину провалу радянської мікроелектроніки. Річ не у тім, що в СРСР не розуміли колосальний вплив, який матимуть чипи на військові та цивільні технології. Навпаки, Радянський Союз побудував ціле місто Зеленоград, яке за задумом повинно було стати центром напівпровідникової індустрії, такою собі соціалістичною Кремнієвою долиною.

Однак, якими б глибокими не були кишені військових, вони ніколи не зрівняються з потенціалом та масштабом, що дають продажі товарів масового вжитку, навіть в СРСР, де на військову промисловість працювала вся країна. На додаток, постійна секретність та стратегія тотального копіювання американських технологій прирекла Радянський Союз на хронічне відставання від Заходу.

Одночасно з Зеленоградом було створено новий відділ КДБ — Управління “Т”. За деякими даними, у КДБ працювало близько тисячі співробітників, які спеціалізувалися на викрадені технології, і це на додачу до інших розвідувальних служб, що мали власних шпигунів. Вони викрадали не тільки зразки найсучасніших інтегральних схем, а також обладнання для виробництва напівпровідників. Попри це, радянська стратегія копіювання зазнала повного провалу.

На відміну від Заходу, тут так і не вдалося створити масове виробництво мікроелектроніки та супутніх індустрій. У Радянського Союзу була відсутня база, яка б дозволила самостійний розвиток технологій, а отже він був приречений на тотальну залежність від американських інновацій. Крім того, через їхній шалений темп, копії радянських чипів завжди відставали як мінімум на пів десятиліття від західних аналогів.

Розпад СРСР мав цілий ряд складних причин — це і банкрутство планової економіки, низькі ціни на нафту, виснажлива війна в Афганістані, а також загальна деградація державного управління і контролю. Втім, на мою думку, його каталізатором стала цифрова революція. Вона не тільки показала перевагу ринкової економіки, а й змінила баланс сил у військовому протистоянні. Радянський Союз не відставав від США у ракетних та ядерних технологіях, до того, він мав явну перевагу у кількості танків та живої сили. Але використання високоточної зброї, що була створена завдяки неймовірному росту обчислювальної потужності кардинально змінило ситуацію.

Завдяки точності нових американських ракет, за найбільш песимістичними оцінками радянської сторони, перший ядерний удар Сполучених Штатів міг би знищити 98 % міжконтинентальних балістичних ракет СРСР. Крім того, у конвенційній війні американські крилаті ракети та бомбардувальники-невидимки могли знищити радянське командування, що кидало виклик самому виживанню країни.

І якщо хтось у радянському керівництві ще сумнівався, то вони мали змогу в цьому переконатися після легкої перемоги Америки у війні в Перській затоці. Це справило величезне враження на збройні сили та КДБ. Важко сказати, яку роль зіграла операція “Буря в пустелі“, однак невдовзі відбулася спроба державного перевороту, що закінчилася невдачею і розпадом Радянського Союзу.

Злет та падіння Intel

Довгий час Intel була символом американської могутності та інновацій у сфері мікроелектроніки. Її заснували у 1968 році колишні працівники Fairchild Боб Нойс та Гордон Мур. Першим продуктом компанії стала мікросхема під назвою динамічна оперативна пам’ять з довільним доступом, або DRAM. На відміну від мікросхем, які займалися обчисленнями та розроблялися індивідуально для кожного пристрою, ці чипи пам’яті були універсальними. Це дало можливість зробити їхнє виробництво масовим та отримати економію на масштабі. Тож не дивно, що незабаром Intel спало на думку виробляти універсальні логічні мікросхеми, першою з яких став чип “Intel 4004”.

Після того, як компанія зазнала жорсткої конкуренції на ринку пам’яті з боку японських фірм, вона зробила ризиковану ставку на мікропроцесори. Це був доволі відчайдушний крок, адже заради невеликого на той час ринку процесорних мікросхем, які використовувалися здебільшого в японських калькуляторах, Intel відмовилася від того, на чому збудувала весь свій бізнес.

Однак, маючи контракт з IBM на створення чипів для її нового продукту під назвою “персональний комп’ютер” компанія зробила цей напрямок основним і не прогадала. До кінця 80-х років ціни на комп’ютери стрімко впали, тому вони почали з’являтися в багатьох офісах та помешканнях і в кожному з них був мікропроцесор від Intel. Саме тут починається справжня історія успіху цієї, без перебільшення, легендарної компанії.

Починаючи з процесорів 8086/88, випуск кожного наступного був справжньою подією. Так, i386 став першим 32-розрядним мікропроцесором для x86 архітектури, а далі на нас чекала легендарна серія Pentium за якою настала ера Intel Core, де була реалізована ідея багатоядерності. Процесори Intel та операційна система Windows були синонімами персонального комп’ютера і визначали весь подальший розвиток цифрової галузі.

Тому, теперішня криза в Intel є серйозним симптомом більш системної проблеми, ніж погані фінансові показники однієї з великих американських корпорацій. Ви, мабуть, звернули увагу на географію сучасної напівпровідникової індустрії, коли я описував її концентрацію на початку допису. У цьому є цілком конкретні історичні причини, адже у 60-х роках Сполучені Штати намагалися зупинити наступ комуністичної ідеології у Південно-Східній Азії. Тож було прийнято рішення допомагати таким країнам як Японія, Південна Корея чи Тайвань розвивати сучасні технології.

Окрім геополітики, однією з головних причин, чому майже всі американські виробники чипів ще задовго до того, як світ почув слово “глобалізація” мали складальні підприємства у багатьох азійських державах, була економіка. Саме Азія мала у своєму розпорядженні мільйони селян готових за невелику плату працювати на всіх цих нових фабриках.

І це спрацювало, червона загроза була зупинена. Раз за разом у кожній з вищеназваних країн відбувався один і той же сценарій, коли вона переставала грати роль простого американського підрядника та починала розвивати власні інновації, а також створювати потужну і незалежну цифрову індустрію. В один прекрасний момент американські компанії із здивуванням та збентеження спостерігали, як ті, хто ще зовсім недавно працював на них, ставали їхніми конкурентами та завойовували ринок.

Першого удару завдала Японія, яка завдяки закритості власного ринку і відкритості американського, а також за допомогою державної підтримки, субсидій та дешевого капіталу кинула виклик американському технологічному лідерству (просто неймовірно, як це нагадує сучасне протистояння між США і Китаєм). Зокрема, такі компанії як Toshiba чи NEC почали витісняти багатьох американських виробників чипів пам’яті DRAM. Та ж Intel на початку 80-х років мала частку лише в 1,7 % від світового ринку DRAM та була вимушена шукати нові напрямки розвитку.

Ще одним показовим прикладом можна назвати компанію GCA, тогочасного лідера у сфері літографії, що за якихось 10 років примудрилася повністю втратити свої позиції на ринку. До кінця 80-х років Японія постачала 70 % літографічного обладнання у світі, в той час, як частка Америки впала до 21 %. GCA перетворилася на невеликого гравця, якого обійшли японські компанії Nikon і Canon та нідерландська ASML. Також цей приклад цікавий тим, що причиною банкрутства GCA стала не стільки конкуренція з японськими компаніями, як поганий менеджмент і безвідповідальна фінансова політика.

США є беззаперечним лідером в інноваціях, однак уже не перше десятиліття тут спостерігаються хронічні проблеми з виробництвом. Типовими явищами в американських компаніях є нехтування якістю продукту, скорочення інвестицій у його розвиток та у людський капітал заради фінансових показників, курсу акцій чи інших тимчасових переваг. Це уже призвело до кризи в автомобільній індустрії, а віднедавна та в авіаційній галузі.

Щоб якось зарадити скрутному становищу Кремнієвої долини та не дати їй стати другим Детройтом, у 1986 році, погрожуючи митами, Вашингтон добився від Токіо запровадження квот на експорт чипів DRAM. Також уряд США запровадив фінансову підтримку напівпровідникової індустрії. З усім тим, результати були доволі неоднозначними, ці дії не врятували американську літографічну промисловість, як і більшість виробників DRAM. Ріст цін на чипи пам’яті, спричинений введенням квот, приніс більше вигоди японським компаніям, ніж американським.

Розуміючи в якому критичному стані знаходилося виробництво DRAM у Кремнієвій долині, її виробники пішли на співпрацю з корейськими компаніями. Цього разу вони не просто відкривали там власні виробництва, а створювали спільні підприємства та передавали їм цінні технології. Американські фірми-виробники чипів були у такому відчаї, що погодилися на створення ще одного конкурента, лиш би хтось інший, крім Японії, виробляв потрібні їм мікросхеми. Для прикладу, компанія Intel утворила спільне підприємство із Samsung і продавала їхні чипи під власним брендом. Сама ж Samsung та інші великі конгломерати Південної Кореї за підтримки держави вкладали величезні кошти в сучасні технології виробництва чипів.

Ту ж стратегію вибрав і Тайвань, але пішов іще далі ніж Корея. Він уже з 60-х років доєднався до глобальної індустрії напівпровідників, щоб забезпечити економічний розвиток та зміцнити відносини з США для захисту від маоїстського Китаю. Після смерті Мао Цзедуна військова загроза зменшилася, однак значно зросли економічні ризики. Китай також почав інтегруватися у світову економіку і маючи практично необмежену та дешеву робочу силу загрожував вивести Тайвань з бізнесу. Тому міністр Лі Квотінг вирішив, що прийшов час створювати власні передові технології і звернувся до людини, яка допомогла Texas Instruments відкрити свою першу фабрику зі складання напівпровідникових пристроїв на острові, а саме до її колишнього працівника Морріса Чанга.

На той час, так і не ставши генеральним директором, він уже покинув ТІ і, отримавши посаду керівника Науково-дослідного інституту промислових технологій уряду Тайваню, взявся реалізовувати геніальну та водночас просту ідею створення напівпровідникової компанії, яка випускала б мікросхеми, розроблені клієнтами. Морріс Чанг влучно підмітив, що зовсім скоро чипи набудуть масового поширення, але багато виробників товарів, де вони використовуватимуться, не захочуть самостійно займатися їхнім виробництвом через відсутність досвіду або занадто високу складність і затрати, які воно вимагатиме.

Керівники Texas Instruments не підтримали цю ідею, як і багато хто в Кремнієвій долині, але не уряд Тайваню. Він забезпечив 48 % стартового капіталу та надав щедрі пільги для TSMC – нової компанії з виробництва чипів. Крім того, Чанг переконав нідерландського виробника напівпровідників Philips вкласти 58 мільйонів доларів та передати власну технологію їх виробництва в обмін на 27,5 % акцій TSMC. Решту капіталу внесли кілька найбагатших сімей острова по добровільно-примусовому проханню уряду.

Можна прийти до висновку, що проблемою Intel стало її довготривале монополістичне становище на ринку. Замість інженерів, нею почали керувати бухгалтери, які проґавили мобільну революцію і в той час, коли Apple перейшла на архітектуру х86, відмовилися робити чипи для її нового продукту iPhone, переживаючи за фінансові показники. Через це компанія попала в класичну пастку дилеми інноватора і тепер ARM-архітектура загрожує підірвати її основний бізнес.

За винятком Intel, більшість американських виробників логічних мікросхем відмовилися від власного виробництва та передали його на аутсорсинг. До них належать такі технологічні гіганти як Apple, Nvidia, Qualcomm, IBM та AMD, які делегували своє виробництво TSMC чи Samsung. Такий розподіл між проєктуванням і виробництвом мікросхем має раціональну та безжальну бізнес логіку.

Якщо вам не потрібно витрачати ресурси на капіталомісткі фабрики з виробництва напівпровідників, ви можете сконцентруватися на проєктуванні та постійному вдосконаленні своєї продукції. З іншого боку, сучасне виробництво чипів потребує все тонших технологічних процесів, що сильно впливає на складність, а отже і на ціну виробництва. Тому, для підтримання його рентабельності потрібні все більші та більші масштаби продажів.

Тож не дивно, що Intel опинилася між молотом та ковадлом, коли роблячи одночасно дві справи, вона програє своїм конкурентам на обох фронтах. Її позиціям на ринку серверів і персональних комп’ютерів загрожує не тільки мобільна ARM-архітектура, а й AMD – давній конкурент, якому вдалося нав’язати серйозну конкуренцію серед x86 сумісних процесорів.

Крім того, компанія має великі проблеми з переходом на нові техпроцеси, що приносять їй все більше збитків. Бізнес-модель TSMC, яка полягає у тому, щоб займатися виключно виробництвом чипів, дозволила їй отримати величезний портфель замовлень, адже її клієнти не бояться, що їхні технології потраплять до конкурентів. З таким масштабом не може зрівнятися навіть Intel, а це дає змогу TSMC отримувати прибутки та нарощувати інвестиції в нові технології.

У зв’язку з цим, останні новини про можливий розподіл бізнесів з розробки та виробництва на окремі компанії є цілком очікуваними. Подібне рішення прийняла у свій час AMD, коли виділила виробництво чипів в окреме підприємство GlobalFoundries, яке так і не стало лідером індустрії. Думаю, що схожа доля чекає на Intel. Ба більше, через монопольне і домінуюче становище TSMC, Америка може поступово опинитися на периферії цієї галузі, як це уже було з літографією в минулому.

Звісно, фабрики з виробництва мікросхем повністю не зникнуть. Наприклад, та ж TSMC планує розпочати масове виробництво 4-нм чипів в Аризоні у другій половині 2025 року, однак для Тайваню, з погляду геополітики, вигідна концентрація найсучасніших фабрик на острові, як певна гарантія захисту від зазіхань КНР. Крім того, майбутня економічна політика США може зробити невигідним розширення виробництва на території Америки уже з погляду бізнесу.

Китайська загроза

Останні два-три десятиліття остаточно сформували сучасний розподіл світових центрів напівпровідникової індустрії. Це були роки глобалізації та світу без кордонів, де домінували Сполучені Штати. Холодна війна закінчилася і рішеннями США керувала економіка, а не геополітика. Ще зовсім недавно важко було навіть уявити, щоб результати дослідження екстремального ультрафіолетового випромінювання (EUV) на які американський уряд та Intel витратили мільярди доларів були передані молодій нідерландській компанії ASML, яка лише у 1984 році відділилася від Philips.

Але Америка перебувала на піку могутності і на той час це рішення здавалося раціональним, особливо після банкрутства GCA. Розробка EUV зайняла десятиліття і в цьому ASML сильно допомогли тісні зв’язки з TSMC, а також купівля у 2001 році SVG, останньої великої американської літографічної фірми. Тандем TSMC та ASML дозволяє виробляти найбільш мініатюрну та сучасну мікроелектроніку.

Таким чином світ напівпровідників був поділений між Америкою, Європою і Південно-Східною Азією. Японські компанії та європейська ASML, яка єдина в світі постачає машини для EUV-літографії, контролюють ринок обладнання, Південна Корея і Тайвань є найбільшими виробниками чипів, а США досі проєктують найсучасніші мікросхеми для різного роду мікропроцесорів, від графічних чипів до нейропроцесорів та залишаються лідером у сфері програмного забезпечення. Водночас така концентрація і монополія критично важливих галузей для ІТ-індустрії робить Сполучені Штати надзвичайно вразливими у світлі наростаючого протистояння з КНР.

В якийсь момент КНР набридло виконувати функцію всесвітньої фабрики для складання різноманітних гаджетів і вона вирішила побудувати власну напівпровідникову промисловість. Я не буду детально зупинятися на цьому, адже ця історія досить схожа на шлях, який уже пройшли Японія, Південна Корея чи Тайвань. Але на відміну від уже згаданих мною країн, Китай є геополітичним та економічним суперником Сполучених Штатів. До того ж він намагається побудувати самодостатню напівпровідникову галузь, вважаючи це перевагою у майбутньому протистоянні, на що вказує урядова програма «Зроблено в Китаї – 2025».

Усе це нагадує період Холодної війни між США та СРСР, де роль Радянського Союзу тепер відіграє Китай. Однак, на цьому аналогія закінчується. Можна припустити, що як і раніше, міжнародна кооперація переможе закриту економіку, проте світ сильно змінився і боюся, що результат буде не той, якого нам би хотілося.

Кремнієва долина є чудовим середовищем для інновацій, що вона уже не раз демонструвала. Разом з тим, коли ми говоримо про масове виробництво, занадто висока конкуренція і орієнтація на фінансові результати та його величність Долар не завжди цьому сприяють. В свою чергу, такі країни як Японія чи Південна Корея показали, що симбіоз державної підтримки та великих корпорацій непогано з цим справляється. До того, отримавши інвестиції від Західних компаній у вигляді технологій і фінансів, вони здатні не тільки побудувати базу для цифрової індустрії, а й самостійно покращувати та розвивати її.

На відміну від Китаю, в СРСР ніхто не відкривав фабрики по складанню напівпровідникових пристроїв, не вкладав інвестиції у виробництво чипів, не мав змогу наймати іноземних спеціалістів з практичним досвідом та масово відправляти власних студентів у найкращі американські ВНЗ. Сучасний Китай варто порівнювати не з Радянським Союзом 80-х років, а з періодом 50-х та 60-х, коли в СРСР, завдяки тому ж Заходу, уже відбулася індустріалізація і він складав серйозну конкуренцію США у сфері технологій.

Всі ці роки Америка робила ставку на інновації та стратегія Кремнієвої долини працювала, допоки вона бігла швидше за інших. Тільки тепер ми знаходимося не на початковому етапі цифрової революції, а скоріше у її фінальній фазі. На сьогодні КНР відстає від того ж Тайваню у сфері виробництва найсучасніших інтегральних схем, причиною чого є недоступність EUV-літографії для китайських виробників. Та чи критичне це відставання і чи надовго воно?

Попри всю винахідливість, яку продемонструвала індустрія напівпровідників, невдовзі ми досягнемо межі мініатюризації у технологічному процесі виготовлення транзисторів. Радіуси атомів складають 0,046–0,25 нм і це уже зовсім близько до 3 нм — найменшої ширини затвора сучасних транзисторів. На додаток, з кожним новим техпроцесом росте не тільки складність виробництва, а й затрати, тому на заваді подальшому прогресу стоїть як фізика, так і економіка.

Мало того, рано чи пізно КНР отримає доступ до EUV-літографії і якщо на той час не буде більш потужної технології — це нівелює будь-яку перевагу Західник компаній. Щоб цього не сталося, потрібні серйозні прориви та інновації та на цей раз вони мають бути масштабу нової промислової революції. Однак, навіть в такому разі, будуть потрібні десятиліття на розвиток та впровадження нових винаходів і це приводить нас до висновку про довготривалий період паритету та статусу кво у галузі високих технологій між США і їхніми союзниками та Китаєм. Серед проривів, які можуть зруйнувати цей баланс досить перспективними виглядають квантові комп’ютери, а також штучний інтелект, про який ми поговоримо у наступному, завершальному дописі.

Попередні дописи цієї серії ви можете знайти за наступними посиланнями:

Як Китай, росія та США правлять світом за допомогою технологій

Кібербезпека та геополітика: як США втратили контроль над цифровим фронтом

Цей матеріал – не редакційнийЦе – особиста думка його автора. Редакція може не розділяти цю думку.